列车通信网络高可靠性冗余方法研究
发布时间：2020-08-27 14:28
【摘要】：随着高速列车的快速发展,列车通信网络所需带宽在不断增加,现场总线技术已经难以满足需求。以太网因其带宽高、兼容性好、拓扑灵活等优点在工业上得到了广泛应用。基于以太网的列车通信网络成为了国内外轨道交通行业新的研究方向。为了提高列车通信网络的可靠性,实现列车通信网络的实时数据传输,本文从梯形拓扑协议入手,研究了列车通信网络拓扑的可靠性问题及冗余管理方法,并对基于实时MAC协议的实时调度方法进行了研究。本文的主要研究成果如下:(1)研究了基于交换式以太网的列车通信网络骨干网和编组网的拓扑结构和特性,对不同编组网结构进行了故障案例分析,建立了基于梯形拓扑的列车通信网络架构。采用动态故障树DFTA对网络结构进行可靠性建模并采用二元决策图和马尔可夫矩阵进行量化求解,验证了梯形拓扑的优越性。(2)分析了梯形拓扑协议的运行机制和终端设备冗余对系统可靠性的影响,并对梯形冗余具体的实现方案进行了研究,设计了梯形拓扑冗余管理方法,提高了系统的可靠性。总结了丢弃算法的基本要求,采用基于动态线性HASH的冗余帧丢弃算法来减少数据搜索和插入时间,并对所提方法的有效性进行了验证,为梯形拓扑协议在列车通信网络上的应用奠定了坚实的算法基础。(3)设计了一种基于实时MAC协议的梯形拓扑实时调度方法,来改善传统的基于CSMA/CD介质访问控制方式的确定性和实时性。分析了数据传输过程中的端到端时延构成因素,并进行了实例计算。设计了基于令牌的梯形拓扑故障检测机制,实现了故障下的替代传输与故障恢复的处理。方法借鉴了令牌思想,有效解决了网络中的竞争问题,提高了网络的确定性和实时性。(4)通过OPNET网络仿真软件实现了梯形拓扑网络架构,对正常和双组件故障情况的传输进行了仿真,验证了梯形冗余方案的高可靠性和实时性。设计了具有双网络适配器的实时以太网冗余网卡,并利用终端节点和交换机搭建了网络通信验证平台。利用wireshark抓包软件对数据包进行分析,测试结果表明该冗余管理方法能够满足基于梯形拓扑的列车通信网络的实时性和可靠性要求。最后对全文的研究内容进行了总结,并对下一步的研究方向进行了展望。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP393.11;U285.2
【图文】：
传输的端到端时延进行实例计算。设计了一种基于令牌的故障检测机制，设定时器时间，实现了故障下的替代传输和故障恢复的处理。逡逑第五章通过ＯＰＮＥＴ网络仿真软件实现了梯形拓扑网络架构，主要设计了交节点模型和进程模型以及终端节点的模型，得到了网络由正常状态到单点故双链路故障状态和双ＣＮＮ节点故障下的网络吞吐量、链路利用率、端到端时化曲线图，得出网络实时性良好、当发生单点故障时，网络正常工作，双点故，恢复时间为零的结论。并且设计了具有双网络适配器的实时以太网冗余网卡，逡逑建了网络通信验证平台。利用ｗｉｒｅｓｈａｒｋ抓包软件进行分析，验证梯形拓扑冗理方案的可行性。逡逑第六章对全文所做工作进行了总结，并对未来的研宄方向进行了展望。逡逑
通信网络重点研究方向，而冗余技术又是提升网络可靠性的关键技术。本章介绍列逡逑车以太网的总体框架组成，包括列车骨干网ＥＴＢ和列车编组网ＥＣＮ的拓扑结构，逡逑分析了不同ＥＣＮ结构的故障案例。建立了基于梯形拓扑的列车通信网络冗余架构，逡逑并采用动态故障树ＤＦＴＡ对基于梯形拓扑的列车通信网络进行了可靠性理论分析。逡逑２．１网络拓扑逡逑２．１．１总体架构逡逑依据ＩＥＣ６１３７５－２－５，基于以太网的列车通信网络被划分为两级结构，分别是列逡逑车骨千网（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ邋Ｔｒａｉｎ邋Ｂａｃｋｂｏｎｅ，邋ＥＴＢ）和列车编组网（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ邋Ｃｏｎｓｉｓｔ邋ｎｅｔｗｏｒｋ，逡逑ＥＣＮ）。ＥＴＢ与ＥＣＮ之间的通信通过骨千网节点（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ邋Ｔｒａｉｎ邋Ｂｕｓ邋Ｎｏｄ，邋ＥＴＢＮ）实逡逑现，各节车辆内部所有终端设备通过与组网交换机节点（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ邋Ｃｏｎｓｉｓｔ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ逡逑Ｎｏｄｅ．邋ＥＣＮＮ）相连进行数据交互，如图２－１是基于以太网的列车通信网络（Ｔｒａｉｎ逡逑Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ，邋ＴＣＮ）的拓扑架构图。逡逑
ＥＣＮ一ＥＣＮ。一口的子网中。逡逑２．１．２列车骨干网拓扑结构逡逑ＥＴＢ主要由以太网列车骨干网节点ＥＴＢＮ及其之间的链路构成，ＥＴＢＮ作为逡逑连接ＥＴＢ和ＥＣＮ的节点，主要作用是负责两层网络之间的通信以及列车骨干网逡逑的管理，每个ＥＣＮ可连接一个或多个互为冗余的ＥＴＢＮ。逡逑ＥＴＢ—般使用线形结构，如图２－２所示。在线形拓扑中ＥＴＢＮ依次相连，每逡逑个节点只能与邻节点进行直接的数据交换，如果不相邻的ＥＴＢＮ之间需要进行通逡逑信，则需要经过中间节点对数据进行转发。逡逑ＥＴＢＮ也可以采用冗余方法来保证可靠性，如图２－２中，０１节点和０２节点互逡逑为冗余连接至同一个ＥＣＮ，两个ＥＴＢＮ都处于激活状态，在ＥＴＢ与ＥＣＮ之间进逡逑行通信时，只有一个ＥＴＢＮ完成相应功能，当该ＥＴＢＮ失效时，则冗余的ＥＴＢＮ逡逑代替失效ＥＴＢＮ工作。逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP393.11;U285.2
【图文】：
传输的端到端时延进行实例计算。设计了一种基于令牌的故障检测机制，设定时器时间，实现了故障下的替代传输和故障恢复的处理。逡逑第五章通过ＯＰＮＥＴ网络仿真软件实现了梯形拓扑网络架构，主要设计了交节点模型和进程模型以及终端节点的模型，得到了网络由正常状态到单点故双链路故障状态和双ＣＮＮ节点故障下的网络吞吐量、链路利用率、端到端时化曲线图，得出网络实时性良好、当发生单点故障时，网络正常工作，双点故，恢复时间为零的结论。并且设计了具有双网络适配器的实时以太网冗余网卡，逡逑建了网络通信验证平台。利用ｗｉｒｅｓｈａｒｋ抓包软件进行分析，验证梯形拓扑冗理方案的可行性。逡逑第六章对全文所做工作进行了总结，并对未来的研宄方向进行了展望。逡逑
通信网络重点研究方向，而冗余技术又是提升网络可靠性的关键技术。本章介绍列逡逑车以太网的总体框架组成，包括列车骨干网ＥＴＢ和列车编组网ＥＣＮ的拓扑结构，逡逑分析了不同ＥＣＮ结构的故障案例。建立了基于梯形拓扑的列车通信网络冗余架构，逡逑并采用动态故障树ＤＦＴＡ对基于梯形拓扑的列车通信网络进行了可靠性理论分析。逡逑２．１网络拓扑逡逑２．１．１总体架构逡逑依据ＩＥＣ６１３７５－２－５，基于以太网的列车通信网络被划分为两级结构，分别是列逡逑车骨千网（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ邋Ｔｒａｉｎ邋Ｂａｃｋｂｏｎｅ，邋ＥＴＢ）和列车编组网（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ邋Ｃｏｎｓｉｓｔ邋ｎｅｔｗｏｒｋ，逡逑ＥＣＮ）。ＥＴＢ与ＥＣＮ之间的通信通过骨千网节点（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ邋Ｔｒａｉｎ邋Ｂｕｓ邋Ｎｏｄ，邋ＥＴＢＮ）实逡逑现，各节车辆内部所有终端设备通过与组网交换机节点（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ邋Ｃｏｎｓｉｓｔ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ逡逑Ｎｏｄｅ．邋ＥＣＮＮ）相连进行数据交互，如图２－１是基于以太网的列车通信网络（Ｔｒａｉｎ逡逑Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ，邋ＴＣＮ）的拓扑架构图。逡逑
ＥＣＮ一ＥＣＮ。一口的子网中。逡逑２．１．２列车骨干网拓扑结构逡逑ＥＴＢ主要由以太网列车骨干网节点ＥＴＢＮ及其之间的链路构成，ＥＴＢＮ作为逡逑连接ＥＴＢ和ＥＣＮ的节点，主要作用是负责两层网络之间的通信以及列车骨干网逡逑的管理，每个ＥＣＮ可连接一个或多个互为冗余的ＥＴＢＮ。逡逑ＥＴＢ—般使用线形结构，如图２－２所示。在线形拓扑中ＥＴＢＮ依次相连，每逡逑个节点只能与邻节点进行直接的数据交换，如果不相邻的ＥＴＢＮ之间需要进行通逡逑信，则需要经过中间节点对数据进行转发。逡逑ＥＴＢＮ也可以采用冗余方法来保证可靠性，如图２－２中，０１节点和０２节点互逡逑为冗余连接至同一个ＥＣＮ，两个ＥＴＢＮ都处于激活状态，在ＥＴＢ与ＥＣＮ之间进逡逑行通信时，只有一个ＥＴＢＮ完成相应功能，当该ＥＴＢＮ失效时，则冗余的ＥＴＢＮ逡逑代替失效ＥＴＢＮ工作。逡逑
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本文编号：2806215
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